挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)

1、摘要液壓挖掘機(jī)是一種應(yīng)用廣泛的多功能的建設(shè)施工機(jī)械，作為工程機(jī)械的主力機(jī)種。出于液壓挖掘機(jī)具有多品種，多功能，高質(zhì)量及高效率等特點(diǎn)，因此受到了廣大施工作業(yè)單位的青睞，其生產(chǎn)制造來了日益蓬勃發(fā)展。液壓挖掘機(jī)主要由發(fā)動機(jī)、工作裝置、回轉(zhuǎn)裝置、行走裝置和、電氣裝置和液壓系統(tǒng)等部分組成。本次設(shè)計(jì)主要是關(guān)于挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)，工作裝置是直接完成挖掘任務(wù)的裝置，進(jìn)行工作裝置的全面的通用性設(shè)計(jì)研究對推動國內(nèi)挖掘機(jī)發(fā)展具有十分重要的意義。本設(shè)計(jì)全面收集了國內(nèi)外挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的資料，對挖掘機(jī)的各種工況進(jìn)行了分析，總結(jié)了挖掘機(jī)工作裝置的設(shè)計(jì)要求。分別對工作裝置的各個組成部分進(jìn)行了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)，這其中就包括了

2、動臂，斗桿和挖斗的選型，各種組成部分尺寸的計(jì)算及它們驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)，驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)包括各種驅(qū)動裝置的布置，行程，作用力的確定。最后對動臂和斗桿在一些特殊工況下進(jìn)行了校核。關(guān)鍵字：挖掘機(jī)：工作裝置：動臂：斗桿：挖斗abstracthydraulic excavator is a kind of multifunction machine used widely in construction fieldit is a primary kind of machinebecause of its multifunction，high quality and efficiency and various

3、 kinds，many company like to use itits manufacture is developing day by day hydraulic excavator consist of engine working equipment，rotator，walking equipment , electric control part and hydraulic systemone main partsworking equipment designing make up of this articleworking equipment is the first equ

4、ipment to finish digging taskusing universal and professional excavators working equipments design methods，having a study of universal design with computer is very important to the development of domestic excavator in this article，collect most of the world excavators working equipments designing mat

5、erialanalyze various kinds of excavators working conditionsdetailed design the various components of working device separately, including the selection and calculation of boom, stick and bucket and what they drive and design of their drive. the design of drive includes determine of their arrangement

6、 and travelling and force. at last checking the intensity of boom and stick in some special conditions. keywords: excavator，working equipment，boom, stick , bucket 目 錄1 緒論11.1 設(shè)計(jì)選題的意義11.2 國內(nèi)外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀11.2.1 國外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀21.3 當(dāng)前液壓挖掘機(jī)存在的主要問題31.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目標(biāo)41.4.1 設(shè)計(jì)的主要

7、內(nèi)容41.4.2 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題41.4.3 設(shè)計(jì)過程中的已知參數(shù)52 工作裝置總體方案設(shè)計(jì)62.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析62.1.1 所用機(jī)型的適用范圍62.2 工作裝置構(gòu)成62.3 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選82.3.1 動臂結(jié)構(gòu)形式的初選82.3.2 斗桿結(jié)構(gòu)形式的初選82.4 動臂與動臂油缸的布置82.5 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式83 動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及校核93.1 動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定93.1.1 1 與a點(diǎn)坐標(biāo)的選取93.1.2 、與的計(jì)算93.1.3 103.1.4 113.1.5 動臂其它相關(guān)尺寸的計(jì)算143.2 動臂基本數(shù)的校核143.2.1 動臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核143.2.2

8、 當(dāng)滿斗處最大挖掘半徑時，動臂油缸提升力矩校核174 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及校核194.1 斗桿參數(shù)的計(jì)算及選擇應(yīng)考慮的因素194.2 斗桿基本參數(shù)的確定194.2.1 斗桿液壓缸的最大作用力臂及的計(jì)算194.2.2 斗桿其它相關(guān)尺的計(jì)算214.3 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核214.3.1 斗桿的受力分析214.3.2 第一工況位置的受力分析214.3.3 第二工況位置的受力分析294.3.4 斗桿內(nèi)力圖的繪制304.3.5 斗桿寬度、鋼板厚度、許用應(yīng)力的選取344.3.6 斗桿危險截面處高度h的計(jì)算345 鏟斗機(jī)構(gòu)的選型及基本參數(shù)的確定365.1 鏟斗的選型365.2 鏟斗結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的計(jì)算37

9、5.2.1 鏟斗主要參數(shù)的計(jì)算375.2.2 斗形尺寸的計(jì)算375.2.3轉(zhuǎn)角范圍確定395.2.4 鏟斗機(jī)構(gòu)其它基本參數(shù)的計(jì)算396銷軸與襯套的設(shè)計(jì)416.1 銷軸的設(shè)計(jì)416.2 襯套的設(shè)計(jì)417總結(jié)427.1 設(shè)計(jì)成果427.2 存在不足及改進(jìn)427.3 設(shè)計(jì)展望42參考文獻(xiàn)43致謝441 緒論1.1 設(shè)計(jì)選題的意義我國是一個發(fā)展中國家，在遼闊的國土上正在進(jìn)行大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)建設(shè)，這就需要大量的土石方施工機(jī)械為其服務(wù)，而液壓挖掘機(jī)是最重要的一類土石方施工機(jī)械。因此，可以肯定液壓挖掘機(jī)的發(fā)展空間很大?？梢灶A(yù)見，隨著國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的需求量將逐年大幅度增長。今后幾年我國液壓挖掘

10、機(jī)行業(yè)將會有一個很大的發(fā)展，液壓挖掘機(jī)的年產(chǎn)量將會以高于20的速度增長。中國挖掘機(jī)市場自1997年開始已進(jìn)入了一個較快的發(fā)展時期， 2001年與2000年比較，全國挖掘機(jī)的產(chǎn)、銷量分別增長55和56。截止到2002年8月底全國挖掘機(jī)的銷量已超過13000臺，超過了2001年全年的銷售數(shù)。2003年全國液壓挖掘機(jī)的銷售量超過18000臺。顯然，挖掘機(jī)在整個工程機(jī)械行業(yè)中是產(chǎn)、銷量增長最快的機(jī)種之一。而在挖掘機(jī)中最為重要的就是關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)，因?yàn)橥诰驒C(jī)的工作裝置能夠最為明顯的體現(xiàn)機(jī)器的工作能力和工作壽命，所以設(shè)計(jì)工作可靠，性能好，成本低，效率高，維護(hù)使用方便的工作裝置就顯得格外重要。1.2 國內(nèi)

11、外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 最早在液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員通過類比、查表、理論計(jì)算初步確定性性能參數(shù)以后，還需要花大量的時間對設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行分析，計(jì)算量大，而且在設(shè)計(jì)過程中，大都選取幾個特殊位置進(jìn)行檢討計(jì)算，其精度當(dāng)然較低。當(dāng)今計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中，挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)得到了很快的發(fā)展。針對液壓挖掘機(jī)工作裝置的cad軟件也已經(jīng)有了不少的研究。1.2.1 國外液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀國外挖掘機(jī)生產(chǎn)歷史較長，液壓挖技術(shù)的不斷成熟使挖掘機(jī)得到全面的發(fā)展。德國是世界上較早開發(fā)研制挖掘機(jī)的國家，1954年和1955年德國的德馬克和利渤海爾公司分別開發(fā)了全液壓挖掘機(jī)；美國是繼德

12、國以后生產(chǎn)挖掘機(jī)歷史最長、數(shù)量最大、品種最多和技術(shù)水平處于領(lǐng)先地位的國家；日本挖掘機(jī)制造業(yè)是在二次大戰(zhàn)后發(fā)展上起來的，其主要特點(diǎn)是在引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過大膽創(chuàng)新發(fā)展起來的；韓國是液壓挖掘機(jī)生產(chǎn)的后起之秀，20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)技術(shù)，由于產(chǎn)業(yè)政策進(jìn)入國際市場，并已擠入國際液壓挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)國之一。20世紀(jì)60年代，挖掘機(jī)進(jìn)入成熟期，各國挖掘機(jī)制造商紛紛采用液壓技術(shù)并與其它技術(shù)相結(jié)合，使產(chǎn)品適應(yīng)性得到了較快的發(fā)展，產(chǎn)品壽命和質(zhì)量不斷得到提高，操縱更加舒適，產(chǎn)品更加節(jié)能。例如美國卡特彼勒公司1955年以后推出的300b系列液壓挖掘機(jī)，采用一種命名為maestro的系統(tǒng)，通過載荷傳感液

13、壓裝置，控制發(fā)動機(jī)的輸出功率，實(shí)現(xiàn)與液壓泵的嚴(yán)格匹配。maestro控制面板在機(jī)型上安裝兩種功率模式和四種工況狀態(tài)，允許用戶自行決定功率工況模式。再如韓國現(xiàn)代公司生產(chǎn)的robex450-3型液壓挖掘機(jī)，有四種功率模式，通過集成化的電子控制系統(tǒng)自動確定最佳的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵的輸出參數(shù)，使得發(fā)動機(jī)、液壓泵的速度及液壓用液壓系統(tǒng)壓力與實(shí)際工況相適應(yīng)，從而獲得最高的生產(chǎn)率和最佳的燃油消耗。此種技術(shù)在日本松、日立建機(jī)、神鋼、韓國大宇重工、德國的利渤海爾、英國的jcb等到公司均得到普遍應(yīng)用，代表了當(dāng)代液壓挖掘機(jī)的最高水平。當(dāng)前，國際上挖掘機(jī)的生產(chǎn)正向大型化、微型化、多能化和專用化的方面發(fā)展。由于使用性能

14、、技術(shù)指標(biāo)上的優(yōu)越，世界上許多國家，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國家，都在大力發(fā)展單斗液壓挖掘機(jī)。目前，單斗液壓挖掘機(jī)的發(fā)展著眼于動力和傳動系統(tǒng)的改進(jìn)以達(dá)到高效節(jié)能；應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，成本不斷降低，向標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化發(fā)展，以提高部件、配件的可靠性，從而保證整機(jī)的可靠性；電子計(jì)算機(jī)監(jiān)測與控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；提高機(jī)械作業(yè)性能，降低噪音，減少停機(jī)維修時間，提高適應(yīng)能力，消除公害，縱觀未來，單斗液壓挖掘機(jī)有以下的趨勢：（1）向大型化發(fā)展的同時向微型化發(fā)展。（2）更為普遍地采用節(jié)能技術(shù)。（3）不斷的提高可靠性和使用壽命。（4）工作裝置結(jié)構(gòu)圖不斷的改進(jìn)，工作范圍不斷擴(kuò)大。（5）由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動向電力驅(qū)動發(fā)展。（6）液壓系統(tǒng)

15、不斷改進(jìn)，液壓元件不斷更新。（7）應(yīng)用微電子、氣、液等機(jī)電一體化綜合技術(shù)。（8）增大鏟斗的容量，加大功率，提高生產(chǎn)效率。（9）人機(jī)工程學(xué)在設(shè)計(jì)中的充分應(yīng)用。1.2.2 國內(nèi)液壓挖掘機(jī)的發(fā)展動態(tài)和研究現(xiàn)狀 早在1958年國內(nèi)便開始了液壓挖掘機(jī)的研制開發(fā)工作，隨后開發(fā)出一系列比較成熟的產(chǎn)品。當(dāng)時出于受配件如發(fā)動機(jī)、液壓件及企業(yè)自身?xiàng)l件的影響，其質(zhì)量和產(chǎn)量遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平，與國外同類產(chǎn)品相比也存在較大差距。到了80年代末和90年代初，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家液壓挖掘機(jī)技術(shù)水平得到了迅速的提高，突出表現(xiàn)在追求高效率(同一機(jī)重的挖掘機(jī)功率普遍提高，液壓系統(tǒng)流量增大作業(yè)循環(huán)時間減小，作業(yè)效率大大提高)；高可靠

16、性和追求司機(jī)操作的舒適性。國內(nèi)原有的數(shù)家挖掘機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠為了生存和發(fā)展，利用自身的實(shí)力和豐富的挖掘機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，紛紛在工廠的技術(shù)改造、試驗(yàn)研究、新產(chǎn)品開發(fā)方面下大功夫。有的新開發(fā)的產(chǎn)品(也包括某些已生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品)為了提高作業(yè)的可靠性，干脆采用了進(jìn)口的液壓件和發(fā)動機(jī)，甚至于整個傳動系統(tǒng)都按照采用國外元件來設(shè)計(jì)，這種經(jīng)過改型或新設(shè)計(jì)開發(fā)的液壓挖掘機(jī)其工作可靠性和作業(yè)效率得到很大的提高。這樣，引進(jìn)和消化國外的不少技術(shù)，在技術(shù)方面都有了長足的進(jìn)步。國內(nèi)液壓挖掘機(jī)行業(yè)近年來雖有很大發(fā)展，但與國外挖掘機(jī)行業(yè)發(fā)達(dá)國家相比仍存在許多不足，其原因除了國內(nèi)挖掘機(jī)加工水平落后之外，挖掘機(jī)設(shè)計(jì)水平與發(fā)達(dá)國家相比也有

17、較大的差距，尤其是一些先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)的掌握和應(yīng)用。國內(nèi)眾多的研究人員和單位對液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了其設(shè)計(jì)軟件，他們的研究基本上局限于解決某些問題，即工作裝置的幾何參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和力參數(shù)等的解決。關(guān)于工作裝置設(shè)計(jì)參數(shù)分析和在cad上其自動設(shè)計(jì)的綜合研究文獻(xiàn)還沒有。因此，開發(fā)出的軟件缺少通用性，不能使用于挖掘機(jī)工作裝鶯的一些通用問題的解決，對工程機(jī)械這個行業(yè)不具有通用性。特別是國內(nèi)，cad在許多企業(yè)還停留在輔助制圖的程度上，當(dāng)然也有部分企業(yè)用cad進(jìn)行空間布置設(shè)計(jì)。雖然部分軟件也有一定的分析計(jì)算能力，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到設(shè)計(jì)需要，對液壓挖掘機(jī)進(jìn)行分析的大型通用軟件目前市場上還很少。

18、經(jīng)過近十年的研究，獲得了一些成果，但是研究還不夠深入，有些研究結(jié)果已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用過程中。目前研究液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于，為了使挖掘機(jī)設(shè)計(jì)人員從繁忙的計(jì)算中解脫出來，現(xiàn)有工作裝置機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，即大多數(shù)的液壓挖掘機(jī)工作裝置設(shè)計(jì)研究在現(xiàn)有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上局限進(jìn)行的，在這種情況下開發(fā)出一個專業(yè)的工作裝置設(shè)計(jì)工具和軟件顯得非常的重要。國內(nèi)液壓挖掘機(jī)的研究和發(fā)展動向應(yīng)該體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）提高效率，降低能耗。（2）提高技術(shù)性能和控制性能。（3）發(fā)展集成、復(fù)合、小型化、輕化元件。（4）開展液壓自動控制技術(shù)方面的研究與開發(fā)。（5）加強(qiáng)以提高安全性和環(huán)境保護(hù)為目的研究工作開發(fā)。（6

19、）提高液壓元件和系統(tǒng)的工作可靠性。（7）標(biāo)準(zhǔn)化和多樣化。（8）開展液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和系統(tǒng)性能分析研究。1.3 當(dāng)前液壓挖掘機(jī)存在的主要問題雖然液壓挖掘機(jī)的發(fā)展很快，但是液壓挖掘機(jī)仍然存在著各種問題：（1） 控制精度的要求并不高，多數(shù)在100mm之內(nèi)，并不像其它領(lǐng)域機(jī)器人運(yùn)動控制要求到10mm之內(nèi)，或者更高。首先，挖掘機(jī)本身的機(jī)構(gòu)尺寸通常都比較大；其次，挖掘機(jī)進(jìn)行土木施工的精度與一些工業(yè)加工比較起來要低得多，相對較低的精度仍然能夠滿足挖掘機(jī)在實(shí)際工作中的需要。多數(shù)研究者在實(shí)現(xiàn)以上控制精度時，鏟斗末端速度比較低，最快的也在150mm/s之內(nèi)，而這個重要參數(shù)直接影響挖掘機(jī)的工作效率，所以，保證控制精

20、度的情況下提高鏟斗末端速度是本文需要解決的問題之一。（2） 雖然世界各國的研究水平參差不齊，但是多數(shù)處在實(shí)驗(yàn)室階段，或從成本的角度考慮采用伺服閥進(jìn)行控制，與工程實(shí)際差距較大；對挖掘機(jī)工作裝置的研究是在靜態(tài)下進(jìn)行的，忽略慣性項(xiàng)的影響，所以在實(shí)際工程中也是不適用的；多數(shù)研究中都沒有考慮到系統(tǒng)的節(jié)能問題，很難將研究結(jié)果在實(shí)際中進(jìn)行推廣。（3） 挖掘機(jī)工作裝置作為一種典型的工程機(jī)械復(fù)雜機(jī)電液系統(tǒng)，由于其自身的特點(diǎn)，該項(xiàng)研究是比較困難的工作。主要在于：在機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中，慣性力負(fù)載的多變性；電液比例系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)多與機(jī)構(gòu)的姿態(tài)有關(guān)，屬于時變參數(shù)，準(zhǔn)確地得到每個參數(shù)的值非常困難；整個系統(tǒng)存在大量不確定

21、量（不確定參數(shù)及不確定的非線性模型），例如在不同溫度下液壓油的彈性模量和黏性等，均屬于不確定參數(shù)；工作過程中，由于與地面接觸而產(chǎn)生的擾動等不能準(zhǔn)確建立數(shù)學(xué)模型的量，均屬于不確定的非線性模型。以上各類不確定量都將對系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性和動態(tài)特性產(chǎn)生極大的影響。1.4 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容及目標(biāo)1.4.1 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 （1）分析和擬定設(shè)計(jì)任務(wù)書，確定設(shè)計(jì)思想和原則，并提出設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案的初步思想。 （2）挖掘機(jī)主要參數(shù)的確定。 （3）挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的確定。 （4）挖掘機(jī)工作裝置各主要結(jié)構(gòu)力的分析與計(jì)算。 （5）挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核。1.4.2 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題（1）關(guān)于挖

22、掘機(jī)總體設(shè)計(jì)，就是各種整體參數(shù)和局部參數(shù)的計(jì)算，這中間就 包括動臂，斗桿及挖斗的主要參數(shù)的計(jì)算。（2）液壓挖掘機(jī)工作裝置各主要機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案的確定，這包括幾方面的內(nèi)容，首先就是關(guān)于動臂和斗桿的選型。其次就是動臂，斗桿和挖斗的油缸的布置如何確定。第三就是各個鉸鏈點(diǎn)如何確定。（3）作用力的計(jì)算，這其中包括油缸的作用力，還有各種挖掘力。（4）各種強(qiáng)度的校核。其中動臂的校核尤為重要，還有斗桿的強(qiáng)度校核。1.4.3 設(shè)計(jì)過程中的已知參數(shù) 鏟斗容量：0.8立方米最大挖掘力130kn整體質(zhì)量：20噸工作裝置液壓回路最大壓力：34mp最大挖掘半徑：7.42米最大挖掘高度：8.41米最大挖掘深度：5.12米最大卸

23、料高度：4.62米發(fā)動機(jī)功率：98kw發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：2300r/m工作裝置液壓系統(tǒng)主參數(shù)的初步選擇：各工作油缸的缸徑選擇要考慮到液壓系統(tǒng)的工作壓力和“三化”要求以及初步估取的液壓缸受力，初選動臂油缸內(nèi)徑d1=120mm，活塞桿的直徑。斗桿油缸的內(nèi)徑d2=120mm，活塞的直徑。鏟斗油缸的內(nèi)徑d3=80mm，活塞桿的直徑，又由按經(jīng)驗(yàn)公式選各缸全伸長度與全縮長度之比。參照貓畫虎任務(wù)書的要求選擇工作裝置液壓系統(tǒng)的工作壓力為，閉鎖壓力;與相同類型的挖掘機(jī)相比可知動臂油缸的行程；斗桿油缸的行程；鏟斗油缸的行程。2 工作裝置總體方案設(shè)計(jì)2.1 機(jī)型選擇及特點(diǎn)分析 本設(shè)計(jì)中，我選的是單斗液壓挖掘機(jī)，其工作裝置

24、采用反鏟裝置。 單斗液壓挖掘機(jī)是一種采用液壓傳動并以一個鏟斗進(jìn)行挖掘作業(yè)機(jī)械，它是機(jī)械傳動單斗挖掘機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，是目前挖掘機(jī)中重要的品種。2.1.1 所用機(jī)型的適用范圍 在建筑工程，交通工程，露天工程，水利施工及現(xiàn)代軍事工程中都廣泛采用，是各種土石方施工中重要的機(jī)械設(shè)備。由液壓挖掘機(jī)在構(gòu)造和性能上有較多的優(yōu)越性，因此近年來發(fā)展迅速，在中小型單斗挖掘機(jī)中，已取代了機(jī)械傳動單斗挖掘機(jī)，成為工程機(jī)械的主要機(jī)種。2.2 工作裝置構(gòu)成 鉸接式反鏟是單斗液壓挖掘機(jī)最常用的結(jié)構(gòu)型式，動臂、斗桿和鏟斗等主要部件彼此鉸接，在液壓缸的作用下各部件繞鉸點(diǎn)擺動，完成挖掘、提升和卸土等動作，圖2.1為挖掘機(jī)最常

25、用的反鏟工作裝置 1-油管；2-動臂；3-斗桿油缸；4-動臂油缸；5-鏟斗；6-斗齒；7-側(cè)齒；8-連桿； 9-搖桿 10-鏟斗油缸 11斗桿圖2.1 挖掘機(jī)反鏟工作裝置挖掘機(jī)工作裝置的大臂與斗桿是變截面的箱梁結(jié)構(gòu)，鏟斗是由厚度很薄的鋼板焊接而成。各油缸可看作是只承受拉壓載荷的桿。根據(jù)以上特征，可以對工作裝置進(jìn)行適當(dāng)簡化處理。則可知單斗液壓挖掘機(jī)的工作裝置可以看成是由動臂，斗桿，鏟斗，動臂油缸，斗桿油缸，鏟斗油缸及連桿機(jī)構(gòu)組成的具有三自由度的六桿機(jī)構(gòu)，處理具體簡圖2.2所示。進(jìn)一步簡化圖如2.3所示。圖2.2工作裝置的結(jié)構(gòu)簡圖 1-鏟斗 2-連桿 3-斗桿 4-動臂 5-鏟斗油缸 6-斗桿油缸

26、圖2.3 工作裝置結(jié)構(gòu)簡化圖挖掘機(jī)的工作裝置經(jīng)上面的簡化后實(shí)質(zhì)是一組平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度是3，即工作裝置的幾何位置由動臂油缸長度l1、斗桿油缸長度l2、鏟斗油缸長度l3決定，當(dāng)l1、l2、l3為某一確定的值時，工作裝置的位置也就能夠確定。2.3 動臂及斗桿的結(jié)構(gòu)形式的初選2.3.1 動臂結(jié)構(gòu)形式的初選動臂采用整體式彎動臂，這種結(jié)構(gòu)形式目前應(yīng)用最廣泛，其主要特點(diǎn)是制造方便，成本低，質(zhì)量輕，能有較大的動臂彎角，裝載作效率高，挖掘深度也比較大；配用加長可調(diào)斗桿，可以很好地完成垂直壁面的挖掘作業(yè)，而且所挖掘的壁面平直整潔。2.3.2 斗桿結(jié)構(gòu)形式的初選斗桿也有整體式和組合式兩種，大多數(shù)挖掘機(jī)采用整體式

27、斗桿。在本設(shè)計(jì)中由于不需要調(diào)節(jié)斗桿的長度，故也采用整體式直斗桿。2.4 動臂與動臂油缸的布置動臂油缸一般布置在動臂的前下方，下端與回轉(zhuǎn)平臺鉸接，支承點(diǎn)設(shè)在轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)中心之前并稍高于轉(zhuǎn)臺平面，這樣的布置有利于反鏟的挖掘深度。油自由式活塞桿端部與動臂的鉸點(diǎn)設(shè)在動臂箱體的中間，這樣雖然削弱了動臂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但不影響以、動臂的下降幅度。并且布置中，動臂油缸在動臂的兩側(cè)各裝一只，這樣的雙臂在結(jié)構(gòu)上起到加強(qiáng)盤作用，以彌補(bǔ)前面的不足，具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 1-動臂 2-動臂油缸 1-斗桿 2-連桿機(jī)構(gòu) 3鏟斗 圖2.4 鏟斗連接布置圖 圖2-5 鏟斗連接布置圖2.5 鏟斗與鏟斗油缸的連接方式 本方案中采用

28、六連桿的布置方式，相比四連桿布置方式而言在相同的鏟斗油缸行程下能得到較大的鏟斗轉(zhuǎn)角，改善了機(jī)構(gòu)的傳動特性。該布置1桿與2桿的鉸接位置雖然使鏟斗的轉(zhuǎn)角減少但保證能得到足夠的鏟斗平均挖掘力。如圖2.5所示。3 動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及校核3.1 動臂機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定我是根據(jù)在前面的圖2.2，即工作裝置的結(jié)構(gòu)簡圖來計(jì)算出動臂，斗桿，連桿及鏟斗的基本參數(shù)。3.1.1 1 與a點(diǎn)坐標(biāo)的選取 動臂的彎角 1 如圖2.2所示，一般可取為1 =120140。彎角太小會對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不利。般取1=120。 由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)參考其它同斗容機(jī)型，初選牲參數(shù)k3=1.2,其中鉸點(diǎn)a點(diǎn)坐標(biāo)的選擇：由底盤和轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，并結(jié)合同斗容其它機(jī)型

29、的測繪，初選： 3.1.2 、與的計(jì)算 由統(tǒng)計(jì)分析可知，最大挖掘半徑r1 的值與+的值很接近，由已經(jīng)給定的最大挖掘徑r1和通過與k1 計(jì)算與選取就可以得到另外兩個尺寸。 取k1=1.8 其中 由經(jīng)驗(yàn)公式知：取 其中q是斗容量代入q=0.8mm可得：=1448mm 最大挖掘半徑則 所以 3.1.3 參看圖3.1中可知，在czf中知道了1、就可以容易的求得。的計(jì)算公式如下：代入數(shù)值可得：=2010.02mm同樣在czf中，由余弦定律得：同樣可以得到 圖 3.1 最大挖掘半徑時動臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖3.1.4 動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比按不同的情況選取，如前所述，專用反鏟取0.8，所以這里我取=0.4

30、。 ，根據(jù)要求可以初選 斗桿液壓缸全縮時最大，如圖3.2所示，常選根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求可選擇 圖3.2 最大卸載高度時動臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖取決于液壓缸布置形式，如圖3.1所示。動臂又液壓缸結(jié)構(gòu)中這一夾角較小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點(diǎn)一般置于動臂下翼緣加耳座上，b在z的下面，初定，則在czf中可以得到： 由圖3.2得最大卸載高度的表達(dá)式為：也可以寫成以下式子： （3-1）由圖3.3得到最大挖掘深度絕對值的表達(dá)式：也可以寫成以下的表達(dá)式； （3-2）將式（3-1）和（3-2）相加，消去得： （3-3）同時令 根據(jù)以上求得的數(shù)據(jù)代入得，可知：將a與b的值代入到式（3-3）中則得到以下式子： （3

31、-4）又知特性參數(shù)： （3-5）則有關(guān) （3-6）將式（3-6）代入式（3-4）中則得一元函數(shù)。式中是在設(shè)計(jì)任務(wù)書要求的，就是已知的，、a和b都先已選出或算出，由此式可解得： 再由式（3-2）可求得為：代入數(shù)值得：而與滿足以下方程： （3-7） （3-8）所以：=0.895 = -0.958一般情況下選擇是： 則解上式就可以得到。 對求得的值進(jìn)行驗(yàn)算： 則 的值滿足這兩個經(jīng)驗(yàn)公式，說明了的值是可行的。由（3-7）和（3-8）兩式可知： 圖 3.3 最大挖掘深度時動臂機(jī)構(gòu)計(jì)算簡圖3.1.5 動臂其它相關(guān)尺寸的計(jì)算 前面已經(jīng)確定了動臂的選型為整體彎動臂，則還要一個重要的參數(shù)是在動臂轉(zhuǎn)彎處的高度，通

32、過對相同容量的挖掘機(jī)進(jìn)行類比可知，初定這個高度為h=800mm。 對此，動臂機(jī)構(gòu)的全部參數(shù)初步選出。3.2 動臂基本數(shù)的校核 3.2.1 動臂機(jī)構(gòu)閉鎖力的校核正常挖掘力 （3-9） 在式（3-9）中切削阻力的切向分力； c土壤的硬度系數(shù)，對不同的土壤條件取值不同，這里設(shè)挖掘機(jī)用于iii級土壤的挖掘，取值為120； r鏟斗與斗桿鉸點(diǎn)到斗齒尖距離，即轉(zhuǎn)斗切削半徑其在前面已經(jīng)初步確定取值為1448mm； 某一挖掘位置時鏟斗總轉(zhuǎn)角的一半，這里取值為50； 某一挖掘位置處轉(zhuǎn)斗的瞬時轉(zhuǎn)角，在此處由于是求平均挖掘阻力，故初取值與相同為50； b切削刃寬度影響系數(shù)，b=1+2.6b=1+2.61.448=4.

33、76m； a切削角變化影響系數(shù)，取值為1.3； z帶有斗齒白唇紅系數(shù)，取值為0.75； x斗側(cè)臂厚影響系數(shù)，x=1+0.03s，其中要為側(cè)臂百度，由于是初步設(shè)計(jì)，故預(yù)取值為1.15； d切削刃擠壓土壤的力，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和斗容量的大小選取d=1.3n；將以上的數(shù)值代入到式（3-9）中可以解得： =0.2 n值的求?。喝鐖D3.5所示，當(dāng)斗桿油缸全縮時，e，q，v三點(diǎn)共線，且斗齒尖v和鉸點(diǎn)c在同一水平線上，代入數(shù)值得：則=7420-7379=41mm由圖3.4可知 代入數(shù)值得：=1300+62462.5 =1853mm圖3.4 最大挖掘半徑計(jì)算簡圖由圖3.5知，最大挖掘深度時的挖掘力力矩； （3-1

34、0）=0.2（5.12+1.853）=1.39n動臂油缸的閉鎖力 解之得： =2.35n其中為動臂油缸小腔作用面積，鎖緊壓力：最大挖掘半徑工作裝置自身重力所產(chǎn)生的力矩為 要求力矩，自行應(yīng)該需要知道作用力和作用力臂。在此處，則是先要求出工作裝置各個部分的重量；由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，初步估計(jì)工作裝置各部分質(zhì)量如下：動臂 斗桿 鏟斗 斗桿 鏟斗缸 連桿機(jī)構(gòu) 動臂油缸 當(dāng)處于最大挖掘深度時： 由前面的計(jì)算可知=另外根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式斗內(nèi)土重=由圖3.5可知： 代入數(shù)值得： 動臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩（對c點(diǎn)的矩）： 由前面的計(jì)算可知：=則這說明動臂油缸的閉鎖力與工作裝置重力所產(chǎn)生的力矩略大于平均挖掘姐

35、力滿足要求。圖3.5 最大挖掘深度計(jì)算簡圖3.2.2 當(dāng)滿斗處最大挖掘半徑時，動臂油缸提升力矩校核nh-搖臂 hk-連桿 c-動臂下鉸點(diǎn) a-動臂油缸下鉸點(diǎn) b-動臂與動臂油缸鉸點(diǎn) p-動臂上鉸點(diǎn) d-斗桿油缸上鉸點(diǎn) e-斗桿下鉸點(diǎn) g-鏟斗油缸下鉸點(diǎn) q-鏟斗下鉸點(diǎn) k-鏟斗上鉸點(diǎn) v-鏟斗斗齒尖 圖3.6最大挖掘半徑時工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖工作裝置重量級 ：代入數(shù)值得： 按經(jīng)驗(yàn)公式取土的重量：當(dāng)處最大挖掘半徑時，工作裝置簡圖如圖3.6所示，則有： 代入數(shù)值得：動臂油缸的推力：如前圖所示：在cab中 同樣在cab當(dāng)中由余弦定律可知： 代入數(shù)值得：由等面積的方法可知以下等式： 則力臂代入數(shù)值可知：則

36、此時動臂油缸的提升力矩為： 故滿足要求。4 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算及校核4.1 斗桿參數(shù)的計(jì)算及選擇應(yīng)考慮的因素 第一：保證斗桿液壓缸有足夠的斗齒挖掘力。一般來說希望液壓缸在全行程中產(chǎn)生的斗齒挖掘力始終大于正常挖掘阻力；液壓缸全伸時的作用力矩應(yīng)足以支撐滿載斗和斗桿靜止不動；液壓缸作用力臂最大時產(chǎn)生的的最大斗齒挖掘力大于要求克服的最大挖掘阻力。 第二：保證斗桿液壓缸有必要的閉鎖能力。對于以轉(zhuǎn)斗挖掘力為主的中小型反鏟，選擇斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)時必須注意轉(zhuǎn)斗挖掘時斗桿液壓缸的閉鎖能力，要求在主要挖掘區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)斗液壓缸的挖掘力能得到充分的發(fā)揮。 第三：保證斗桿的擺角范圍。斗桿的擺角范圍大致在之間。大在滿足工作范圍和運(yùn)

37、輸要求的前提下此值應(yīng)盡可能小些，對以斗桿挖掘?yàn)橹鞯闹行蜋C(jī)更應(yīng)注意到這一點(diǎn)。一般說斗桿愈長，其擺角也可稍小。當(dāng)斗桿液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸同時伸出最長時，鏟斗前壁與動臂之間的距離應(yīng)大于10cm。4.2 斗桿基本參數(shù)的確定4.2.1 斗桿液壓缸的最大作用力臂及的計(jì)算 根據(jù)斗桿挖掘阻力計(jì)算，并參考國內(nèi)外同型機(jī)器斗桿挖掘力值，按要求的最大挖掘力確定斗桿液壓缸的最大作用力臂，取整個斗桿為研究對象，可得斗桿油缸最大作用力臂的表達(dá)式為： = =726.73 mm 圖4.1 斗桿機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算簡圖如圖4.1所示，斗桿液壓缸初始力臂與最大力臂之比是斗桿擺角的余弦函數(shù)，則存在以下式子?？梢娨讯〞r愈大，和就愈小，即平均挖掘

38、力就越小。要得到較大的的平均挖掘力，就要盡量減少，初取= 由圖4.1的幾何關(guān)系有： = =1712.92 mm而 =1.61712.92=2740.67 mm同樣由圖4.1所示可知，由余弦定律知： = =2285.32 mm4.2.2 斗桿其它相關(guān)尺的計(jì)算 斗桿上取決于結(jié)構(gòu)因素和工作范圍（如圖2.2），一般在之間，初定=，同樣的動臂上的也是結(jié)構(gòu)尺寸，并按結(jié)構(gòu)因素分析，可初選=。4.3 斗桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核4.3.1 斗桿的受力分析 斗桿要受到彎矩的作用，故要找出斗桿的最大彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。根據(jù)分析和以往的實(shí)驗(yàn)表明，在鏟斗進(jìn)行挖掘時，產(chǎn)生最大彎矩的工況可能能有以下兩個； 第一工況位置，其滿足

39、以下條件：1） 動臂處于最低位置，即動臂油缸全縮。2） 斗桿油缸的力臂最大。3） 鏟斗齒尖在動辟與斗桿鉸點(diǎn)和斗桿與鏟斗鉸點(diǎn)的連線上。4） 側(cè)齒挖掘時受到橫向力的作用。第二工況位置，其滿足的以下條件：1） 動臂位于動臂油缸對鉸點(diǎn)a的最大作用力臂處。2） 斗桿油缸的力臂最大。3） 鏟斗齒尖位于f，q兩鉸瞇的連線上或鏟斗位于最挖掘力的位置。4） 挖掘阻力對稱于鏟斗，無側(cè)向力的作用。4.3.2 第一工況位置的受力分析 在這個工況下斗桿可能存在最大的矩，受到的應(yīng)力也可能最大。 該工況的具體簡圖如圖4.2所示，取工作裝置為研究對象，如圖4.3所示，在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受到的重力；作用在鏟

40、斗上的挖掘力，包括切向阻力，法向阻力，側(cè)向阻力。 hk-連桿 hn-擺桿 c-動臂下鉸點(diǎn) a-動臂油缸下鉸點(diǎn) b-動臂與動臂油缸的交點(diǎn) f-動臂上鉸點(diǎn) d-斗桿油缸上鉸點(diǎn) e-斗桿油缸下鉸點(diǎn) g-鏟斗油缸下鉸點(diǎn) q-鏟斗下鉸點(diǎn) k-鏟斗上鉸點(diǎn) v-鏟斗斗齒尖圖4.2 斗桿第二工況時的工作裝置簡圖當(dāng)液壓缸全縮時，則動臂處于擺擺角最小處，由圖4.4可知以下的角度關(guān)系。 根據(jù)前面的已知的角度可求得：=，由圖4.2所示可知，向量cf可以表示為： 向量 = nh-搖臂 hk-連桿圖4.3鏟斗受力分析簡圖圖4.4 f點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算簡圖由前面的計(jì)算結(jié)果可知，在中= 通過上式可解得=同樣在前面我已經(jīng)確定了 在四邊

41、形cdef中=由以上的角度關(guān)系可表達(dá)出向量fv,設(shè)向量fv與x軸的夾角為，則根據(jù)圖2.2可知： 則取正值就是 向量 fv= =3580.86連桿機(jī)構(gòu)的總傳動比為r，鏟斗油缸對n點(diǎn)的作用力臂為； 連桿hk對n點(diǎn)的作用力臂為； 連桿對q點(diǎn)的作用力臂為； 鏟斗對q點(diǎn)的作用力臂； 則可得此時鏟斗的理論挖掘力： 切向阻力： 鏟斗的重心到q點(diǎn)的水平距離為 =取鏟斗為研究對象，如圖4.3所示，并對q點(diǎn)取矩，則有： 代入數(shù)值可得： 法向阻力的求解：工作裝置所受重力對c點(diǎn)的力矩有： 把，的值代入上式得：到c點(diǎn)的距離為： = =2808.89 mm到c點(diǎn)的距離為：法向阻力決定于動臂油缸閉鎖力， 取整個工作裝置為研

42、究對象，則有： 即 把以上求得的數(shù)值全部該式可求得： n 斗桿油缸作用力的求解： 向量fq在x軸上的模量： = =如圖4.2所示，取斗桿（帶斗和連桿機(jī)構(gòu)）為研究對象，則有： 將已知量代入數(shù)值可得：解得： =2.3n而些時的斗桿閉鎖力為： ，略大于說明閉鎖力中夠橫向挖掘力的求解： 橫向挖掘力由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動器所承受，即的最大值決定于回轉(zhuǎn)平臺的制動力矩，故先要計(jì)算出制動力矩。地面附著力矩： = =在所設(shè)計(jì)的液壓挖掘機(jī)中采用的是液壓制動，由經(jīng)驗(yàn)公式求得回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最制動力矩： q點(diǎn)作用力與作用力矩，的求解：取連桿機(jī)構(gòu)為研究對象，如圖4.5所示，則有：nh-搖臂 hk-連桿 g3-鏟斗油缸推力 rk-連桿

43、的作用力 rn-搖臂的作用力圖4.5連桿機(jī)構(gòu)的計(jì)算簡圖 即 即其中 將這些數(shù)值代入到上式中就可以得到： 解上兩式得： 如圖4.4所示，取整個鏟斗為研究對象，以v點(diǎn)為新坐標(biāo)的原點(diǎn)，vq為軸，過v點(diǎn)與vq垂直的直線為，建立坐標(biāo)，則有： 即 代入數(shù)值得：解得： 即代入數(shù)值得：解得： 即代入數(shù)值得：解得： 即代入數(shù)值得：解得：n點(diǎn)的作用力與力矩，及的求解：取曲柄和連桿為研究對象，如圖4.6所示：則有： nh-搖臂 hk-連桿 f3-鏟斗油缸推力rk-連桿沿hk方向的作用力 rny-搖臂沒hk方向的作用力圖4.6 曲柄和連桿的受力圖 即 代入數(shù)值得： 如圖可知： 同樣根據(jù)圖可知： 代入數(shù)值得： f點(diǎn)作用

44、力與作用力矩的求解： 以斗桿為研究對家，進(jìn)行受力分析計(jì)算，以f為原點(diǎn)，fn為x軸，以垂直fn的fy為y軸進(jìn)行分析： 即 即 另外 代入數(shù)值得： 同樣由圖可知： = = = = 則總力矩m： = = 4.3.3 第二工況位置的受力分析 在這個工況位置下斗桿可能存在最大彎矩，受到的應(yīng)力也可能最大具體如圖4.7所示。取工作裝置為研究對象，如圖4.7所示，在該工況下存在的力有：工作裝置各部件所受的重力；作用在鏟斗上的挖掘阻力，包括切向阻力；法向阻力。 hk-連桿 hn-擺桿 c-動臂下鉸點(diǎn) a-動臂油缸下鉸點(diǎn) b-動臂與動臂油缸的交點(diǎn) f-動臂上鉸點(diǎn) d-斗桿油缸上鉸點(diǎn) e-斗桿油缸下鉸點(diǎn) g-鏟斗油

45、缸下鉸點(diǎn) q-鏟斗下鉸點(diǎn) k-鏟斗上鉸點(diǎn) v-鏟斗斗齒尖圖4.7 第二工況工作裝置計(jì)算簡圖同第一工況的分析一樣，可以得到以下的向量： 向量fc=3839.15 （） 向量fv=2132.83 （）同理可得斗桿和鏟斗的力其分別解得： 各種參數(shù)意義如前面一致。4.3.4 斗桿內(nèi)力圖的繪制 根據(jù)第一工況第二工況的所求出的斗桿所受到的力和力矩，可以分別繪制出在第一工況下和第二工況下的內(nèi)力圖。對于第一工況，斗桿的內(nèi)力圖包括橫向力，斗桿平面內(nèi)外的彎矩和剪力，以及扭矩；對于第二工況，斗桿內(nèi)力側(cè)僅有斗桿的軸向力，斗桿平面內(nèi)的彎矩和剪力，第一工況下斗桿的軸向力n圖，如圖4.8（單位：n） 圖4.8 第一工況下斗桿n圖第一工況斗桿的圖，如圖4.9（單位：n） 圖4.9 第一工況下斗桿圖第一工況下斗桿的圖，如圖4.10（單位：）圖4.10 第一工況下斗桿的第二工況下斗桿的軸向力n圖，如圖4.11（單位：n）圖4.11 第二工況下斗桿的n圖第二工況下斗桿圖，如圖4.12（單位：n）圖4.12 第二工況下斗桿的圖第二工況斗桿的圖，如圖4.12所示（單位：）圖4.12 第二工況下斗桿圖由前面的受力分析知，在第二工況下所受到的彎矩和內(nèi)力均要比第一工況中要小，故用第一工況進(jìn)行計(jì)算，而用第二截面校核。 由以上圖分析可知在通過f